Maximizando la potencia en celdas solares: Un enfoque pedagógico

Tenth LACCEI Latin American and Caribbean Conference (LACCEI’2012), Megaprojects: Building Infrastructure by fostering
engineering collaboration, efficient and effective integration and innovative planning, Panama City, Panama.
Maximizando la potencia en celdas solares: Un enfoque
pedagógico
Jesús González-Llorente
Universidad Sergio Arboleda, Bogotá, Colombia, jesusd.gonzalez@correo.usa.edu.co
John Farah
OptiCOMP, Inc, Cambridge, USA, johnfarah@hotmail.com
RESUMEN
El problema de maximizar la potencia obtenida de las celdas fotovoltaicas representa una oportunidad para el
desarrollo de proyectos de aula y de semilleros de investigación en los programas de ingeniería. Este artículo
describe las características eléctricas de las celdas fotovoltaicas según modelos matemáticos, los cuales usan
información accesible desde la hoja de datos del fabricante. Además se usan aproximaciones del comportamiento
de la celda solar a casos ideales para facilitar su entendimiento mediante el uso de las curvas corriente–voltaje y
potencia–voltaje de las celdas solares, las cuales son aproximadas por líneas rectas para ilustrar el concepto sin
pérdida de generalidad. Se explica el problema de obtener la potencia eléctrica máxima a partir de la energía solar
cuando la resistencia de la carga es diferente a la resistencia óptima. La solución a este problema se basa en el
acople de la carga a la fuente, para obtener la máxima transferencia de potencia, mediante el uso de
transformadores de corriente continua. Tanto el problema como su solución son tratados desde un enfoque
pedagógico mediante el uso de gráficas y modelos simples, de manera que se motive a los estudiantes de
ingeniería a desarrollar proyectos en sistemas solares fotovoltaicos.
Palabras claves: celdas solares, energía fotovoltaica, máxima potencia, investigación, educación en ingeniería
ABSTRACT
The problem of maximizing the power output of photovoltaic cells is an opportunity to develop classroom
projects and research in engineering programs. This article describes the electrical characteristics of photovoltaic
cells based on mathematical models and datasheet information. In addition, the solar cells behavior is
approximated to ideal I-V and PV curves using straight lines for better insight. It also explains the problem of
obtaining maximum electrical power from solar panel, by using both current-voltage and power-voltage curves;
the solution is based on load matching by using power converters as transformers when the load resistance is
different to the optimal resistance. Both the problem and the solution are presented using a pedagogical approach,
in such way that undergraduate engineering student are encouraged to develop project in photovoltaic systems.
Keywords: solar cells, photovoltaic energy, maximum power point, undergraduate research, engineering
education
1. INTRODUCCIÓN
La energía solar ha ganado interés en los últimos años debido a que es un tipo de energía ampliamente disponible,
sin emisiones y renovable; por lo que tiene diversos campos de aplicación como: sistemas residenciales,
vehiculares, aeroespaciales, y navales (Khaligh & Onar, 2009). Una forma de obtener la energía solar es por
medio de las celdas fotovoltaicas, las cuales convierten la luz solar en electricidad directamente (Ropp, 2007).
Dado que es importante aprovechar al máximo la energía solar, especialmente en picosatélites de tipo CubeSats
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que son de tamaño restringido (i.e. 10cm x 10cm x 10cm), el número de investigaciones en métodos de obtención
de la máxima potencia de las celdas solares se ha incrementado últimamente.
Las celdas fotovoltaicas operan sobre un rango de voltajes y corriente. El voltaje varía desde cero hasta el voltaje
de circuito abierto; mientras que la corriente varía desde la corriente de corto circuito hasta cero; por lo tanto, la
curva corriente vs. voltaje de las celdas fotovoltaicas pueden obtenerse variando la resistencia que alimentan
desde cero hasta infinito (Khaligh & Onar, 2009). Esta variación del voltaje y de la corriente de la celda solar
conlleva a variaciones de la potencia entregada, y para lograr la máxima potencia se requiere de interfaces que
adapten la carga vista por el panel.
Modelos que describen el comportamiento de las celdas fotovoltaicas, así como también el análisis y la
simulación de circuitos con fuentes de energía renovable, han sido usados como estrategia para incentivar a los
estudiantes de pregrado a participar en investigaciones (Ortiz-Rivera, Gonzalez-Llorente, & Salazar-Llinas,
2009). Ortiz-Rivera afirma que usar modelos que describen el comportamiento de las celdas, los cuales son más
fáciles de entender y de usar que modelos basados en los principios físicos ha atraído el interés de los estudiantes
hacia el campo de las energías renovables (Ortiz-Rivera et al., 2009).
Un incentivo adicional que atrae a los estudiantes hacia el desarrollo de proyectos con celdas fotovoltaicas es la
oportunidad de trabajar en el desarrollo de un nanosatélite bajo el estándar CubeSat; ya que las celdas
fotovoltaicas son la tecnología más usada para obtener energía en los satélites y recargar sus baterías (Patel,
2005). Por lo tanto, el desarrollo del sistema de energía para CubeSats requiere de un claro conocimiento de los
modelos de las celdas fotovoltaicas y los retos que implica su uso. De manera que pueda continuarse con los
desarrollos aeroespaciales iniciados en Colombia por la Universidad Sergio Arboleda, con el lanzamiento del
pico-satélite Libertad 1 en el 2007 (USA, 2007)
En el presente artículo se realiza una descripción pedagógica del problema de obtener la potencia máxima en las
celdas fotovoltaicas; de manera que se facilite la comprensión de los estudiantes de la temática y los retos que
involucra el uso de fuentes renovables como los paneles fotovoltaicos. Así mismo, se presenta una aproximación
a la solución de este problema, tratándolo gráficamente y mostrando la necesidad del uso de transformadores
como acopladores de la carga.
2. MODELADO DE LAS CELDAS SOLARES
Una de las características más importantes de los elementos, para describir su comportamiento, es la relación
entre el voltaje y la corriente entre sus terminales; esta relación es conocida como la relación corriente – voltaje,
o simplemente la curva corriente – voltaje. Por ejemplo, la relación de corriente voltaje para un resistor está dada
por la ley de Ohm: V= R. I y su curva corriente voltaje es mostrada en la Figura 1, donde también se muestra la
relación corriente voltaje para una fuente de voltaje ideal y para una fuente de corriente ideal (Agarwal & Lang,
2005).
(a) Resistor
Corriente
Corriente
Corriente
Voltaje
Voltaje
(b) Fuente de voltaje
Voltaje
(c) Fuente de corriente
Figura 1: Característica corriente – voltaje elementos de circuitos.
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Existen diferentes modelos para representar el comportamiento eléctrico de las celdas solares mediante la relación
corriente - voltaje, muchos de ellos basados en la física y en parámetros que no son fácilmente conocidos
(Villalva, Gazoli, & Filho, 2009). Otras aproximaciones son más prácticos, ya que describen el comportamiento
basado en los datos obtenidos de la hoja de especificaciones del fabricante (Gil-Arias & Ortiz-Rivera, 2008).
La relación entre la corriente (I) y el voltaje (V) de la celda solar está dada por la ecuación:
=
1−
−
(1)
donde Vx es el voltaje de circuito abierto, Ix es la corriente de corto circuito del panel y la constante b es una
constante característica del panel (Gil-Arias & Ortiz-Rivera, 2008). Dado que los modelos son abstracciones de
los elementos, estos no son una representación exacta; es decir, tienen errores. Los modelos más complicados son
más exactos; sin embargo, el incremento en la complejidad puede que no justifique el incremento en la exactitud
(Agarwal & Lang, 2005). Con el propósito de fomentar el entendimiento más que la exactitud se puede aproximar
la relación corriente – voltaje de las celdas por dos rectas.
La Figura 2 muestra la característica corriente - voltaje obtenida del modelo descrito anteriormente en la ecuación
(1), mientras que la Figura 3 muestra la aproximación usando líneas rectas. Las características ilustradas en la
figuras 2 y 3 corresponden a un panel solar para un CubeSat de una unidad (1U), cuyos parámetros son listados en
la hoja de especificaciones (Clyde-Space, 2011). Es importante aclarar que esta curva corresponde a la irradiación
y temperatura de pruebas (1353W/m2 y 28°C respectivamente), ya los puntos extremos de la curva son
ampliamente afectados por estas dos variables. Como se observa en la Figura 3, hasta el punto Vmpp, la celda se
comporta como una fuente de corriente ideal, mientras que entre Vmpp y Vx como una fuente de voltaje.
0.5
0.45
0.4
(0,I x )
Corriente (A)
0.35
(Vmpp,I mpp)
0.3
0.25
0.2
(Vx , 0)
0.15
0.1
0.05
0
0
1
2
3
Voltaje (V)
4
5
6
Figura 2: Característica corriente – voltaje de las celdas solares.
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0.5
0.45
0.4
(0, Ix )
Corriente (A)
0.35
(Vmpp, I mpp)
0.3
0.25
0.2
0.15
(V x , 0)
0.1
0.05
0
0
1
2
3
Voltaje (V)
4
5
6
Figura 3. Aproximación de la relación corriente – voltaje del panel mediante rectas
3. PROBLEMA DE LA OBTENCIÓN DE LA MÁXIMA POTENCIA EN CELDAS SOLARES
La potencia suministrada por las celdas fotovoltaicas corresponde al producto de la corriente de la celda (I) y el
voltaje (V); el cual es mostrado en la Figura 4. Se observa que existe un único valor de voltaje donde la potencia
es máxima; y según la curva corriente - voltaje mostrada en la sección anterior, existe una corriente
correspondiente a dicho voltaje. Estos valores de corriente y voltaje se conocen como el punto de máxima
potencia. La Figura 4(a) muestra la potencia según el modelo de (Gil-Arias & Ortiz-Rivera, 2008); mientras que
la Figura 4(b) muestra la potencia basado en la aproximación de líneas rectas.
2.5
Pmpp
(4.7, 2.1)
Potencia (W)
2
1.5
1
0.5
Vx
Vmpp
0
0
1
2
3
Voltaje (V)
4
5
6
(a) Según modelo de ecuación (1)
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2.5
Pmpp
(4.7, 2.18)
Potencia (W)
2
1.5
1
0.5
Vx
Vmpp
0
0
1
2
3
Voltaje (V)
4
5
6
(b) Aproximación
Figura 4: Variación de la potencia de las celdas según el voltaje de operación.
El punto máximo se puede determinar usando los conceptos de máximos y mínimos del cálculo diferencial, para
esto determinamos la expresión de la potencia en la aproximación de líneas rectas:
( )=
"## (
)
"##
≤
%
≥
(2)
Tomando la derivada de la potencia con respecto al voltaje según la ecuación (2), se tiene
&'( )
&
=
"## (
( )
"##
≤
≥
%
(3)
Para V ≤ Vmpp la derivada es Impp, que representa la pendiente, y dado que es un valor positivo la función es
creciente en todo el intervalo, por lo tanto el máximo es el valor final del intervalo, este Vmpp. Para el intervalo V
≥ Vmpp, la derivada es negativa si Vx < 2V o Vx < 2Vmpp, por lo tanto la función es decreciente en el intervalo y el
valor máximo esta dado por el valor inicial, este es Vmpp. Por lo tano Vmpp corresponde al punto de máxima
potencia.
Cuando una carga resistiva es conectada directamente a las celdas solares, el punto de operación de las celdas
corresponde al voltaje y a la corriente que la carga exige, el cual está dado por la ley de Ohm; es decir, el punto de
operación de las celdas solares corresponde a la intersección de las curvas corriente - voltaje de la celda
fotovoltaica y de la carga como se muestra en la Figura 5.
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0.5
0.45
0.4
Punto de operación
de la celda fotovoltaica
para la carga representada
por la recta
Corriente (A)
0.35
0.3
0.25
Característica de
la celda fotovoltaica
0.2
0.15
Característica de la
carga resistiva
0.1
0.05
0
0
1
2
3
Voltaje (V)
4
5
Figura 5: Descripción del punto de operación de la celda para una carga resistiva
Dado que la potencia está dada por el producto del voltaje y su corriente correspondiente, se puede mostrar la
potencia gráficamente como el área del rectángulo cuya diagonal va desde el origen de la gráfica (punto 0,0) al
punto de operación, como se muestra en la Figura 6. Por tanto el punto de máxima potencia corresponde al
rectángulo de mayor área, este punto está en la región de curvatura como se muestra en la Figura 6, donde Impp y
Vmpp son la corriente y el voltaje de máxima potencia.
0.5
0.45
(Vmpp,I mpp)
0.4
Corriente (A)
0.35
0.3
0.25
0.2
Rmpp
Recta de carga
0.15
0.1
0.05
0
0
1
2
3
Voltaje (V)
4
5
Figura 6: Punto de máxima potencia de la celda solar y rectángulo de potencia
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Debido a que el punto de operación está dado por la carga conectada a la celda fotovoltaica, existe una única
carga que asegura el punto de operación en el punto de máxima potencia, donde la potencia es Pmpp; esta
resistencia se conoce como la resistencia de máxima potencia (Rmpp). Si la resistencia de la carga conectada a la
celda no coincide con Rmpp, el panel solo suministrará la potencia exigida y no la potencia máxima que podría
suministrar; por lo tanto si se quiere extraer la máxima potencia de un panel fotovoltaico, se debe asegurar que
siempre sea cargado por una resistencia Rmpp; esto es descrito en la siguiente sección.
En aplicaciones prácticas, diferentes métodos para determinar el punto de máxima potencia han sido
implementados, los cuales varían en número de sensores requeridos, velocidad de convergencia, efectividad y
complejidad de implementación, una comparación de las diferentes técnicas puede ser encontrada en (Esram &
Chapman, 2007). Entre las técnicas más populares está el método de fracción de voltaje de circuito abierto; sin
embargo es dependiente de las características de la celda fotovoltaica; por su parte el método de perturbación y
observación, el cual es un método de búsqueda que no depende de los parámetros de la celda solar, ha sido
ampliamente usado por su bajo costo de implementación (Femia, Petrone, Spagnuolo, & Vitelli, 2005).
4. UNA APROXIMACIÓN A LA SOLUCIÓN
DEL PROBLEMA DE POTENCIA MÁXIMA EN CELDAS SOLARES
Si se conoce la potencia máxima, entonces la corriente requerida para suministrar dicha potencia en función del
voltaje está dada por la ecuación:
'"##
(4)
=
La carga consume la potencia máxima (Pmpp), cuando se alimenta con el voltaje y la corriente dada por la
intersección de la recta de carga con la ecuación (4), como se muestra en la Figura 7. En esta figura también se
muestra que la carga consume la potencia Pmpp a un voltaje y una corriente diferente del punto de máxima
potencia de la celda, lo que implica una transformación del voltaje suministrado por el panel, al voltaje requerido
por la carga para consumir la potencia máxima.
1
I=Pmpp/V
0.9
Voltaje y corriente en la
0.8 carga para tener potencia
igual a Pmpp
Corriente (A)
0.7
Punto de operación de
0.6 la celda fotovoltaica
(VL,I L)
Punto de máxima
potencia del panel,
potencia = Pmpp
0.5
(Vmpp,Impp)
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
1
2
3
4
Voltaje (V)
5
6
7
Figura 7: Traslación del punto de máxima potencia de la celda solar a la carga, caso reductor.
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Dado que se requiere transformar el voltaje y la corriente del punto de potencia máxima (Vmpp e Impp
respectivamente) de manera que dicha potencia se suministre a la carga, es necesario usar una interface entre la
celda fotovoltaica y la carga, la cual es responsable de aumentar o disminuir el voltaje. Además, esta interface no
debe consumir potencia; solo debe cambiar los niveles de voltaje y corriente de manera que toda la potencia de la
celda fotovoltaica sea entregada a la carga.
Se ha mostrado que si la resistencia conectada a la carga es diferente de la resistencia Rmpp, se requiere
transformar el voltaje para entregar la potencia máxima. Para determinar si es necesario aumentar o disminuir el
voltaje entregado se consideran dos casos: primero, si la resistencia es menor que Rmpp y segundo si la resistencia
de la carga es mayor que Rmpp.
El primer caso es mostrado en la Figura 7. Si el panel opera en su punto de potencia máxima, esta potencia
corresponde al punto (VL,IL) en la recta de la carga. Es decir que se debe reducir el voltaje Vmpp al voltaje VL, lo
cual aumenta la corriente de Impp a la corriente IL; manteniendo que Vmpp.Impp = VL.IL. Por lo tanto, si la resistencia
de la carga es menor que Rmpp se requiere un transformado reductor.
El segundo caso es mostrado en la Figura 8; donde se muestra que para una resistencia mayor que Rmpp la potencia
en la carga corresponde a un voltaje mayor que Vmpp; esto es, se requiere aumentar el voltaje de Vmpp a VL, de
manera que Vmpp.Impp sea igual a VL.IL. Por lo tanto, si la resistencia de la carga es mayor que la resistencia Rmpp,
la interfaz debe actuar como un transformador elevador.
0.6
Punto de máxima
potencia del panel,
potencia = Pmpp
I=Pmpp/V
0.5
(Vmpp,Impp)
Corriente (A)
0.4
Punto de operación de la celda
fotovoltaica para la carga
conectada directamente
0.3
(VL,IL)
Voltaje y corriente
en la carga con
potencia Pmpp
0.2
0.1
0
0
1
2
3
4
5
Voltaje (V)
6
7
8
9
Figura 8: Traslación del punto de máxima potencia de la celda solar a la carga, caso elevador.
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Para verifica estos dos casos se deriva la relación de transformación del transformador. Dado que el panel opera
en el punto de máxima potencia, la resistencia vista por él o resistencia de entrada del transformador está dada por
)
=
"##
"##
(5)
Considerando que el transformador tiene una eficiencia del 100%, entonces la potencia en la carga es igual a la
máxima potencia del panel, esto es:
+
*
,*
=
(6)
De donde se puede derivar la relación VL/Vmpp, y expresarla en términos de Rmpp al sustituir la ecuación (5),
entonces la relación de transformación está dada por:
*
"##
= -,
,*
(7)
A partir de la relación de transformación dada por la ecuación (7), se puede deducir que si RL es menor que Rmpp
entonces la relación de transformación VL/Vmpp es menor que 1 y por lo tanto el transformador debe reducir el
voltaje. Por el contrario si RL es mayor que Rmpp, la relación de transformación de voltaje es mayor que 1 y el
transformador debe actuar como elevador
Los transformadores de voltaje requeridos para extraer la máxima potencia de las celdas solares son
implementados con convertidores de voltaje de corriente continua; una descripción de la teoría de estos
convertidores está más allá del alcance de este documento, la cual puede ser consultada en (Kazimierczuk, 2008),
mientras que su estudio como interfaces para celdas solares es descrito en (Xiao, Ozog, & Dunford, 2007).
5. CONCLUSIONES
Este artículo describió un modelo de las celdas fotovoltaicas basado en su comportamiento eléctrico, el cual ha
sido usado para el análisis y simulación de circuitos; además se presentó una aproximación basado en líneas rectas
como una forma de facilitar el entendimiento. Este modelo fue usado para derivar tanto las curvas corriente –
voltaje como potencia – voltaje de un panel solar usado en un CubeSat de una unidad. El modelo se basó
únicamente en las características de la hoja de datos del fabricante.
Se mostró mediante diagramas los diferentes puntos de operación de las celdas solares según la carga que
alimentan. Se presentaron los tres casos: primero cuando la resistencia de la carga es igual a la resistencia óptima
de la celda fotovoltaica, en este caso la celda suministra la máxima potencia; los otros dos casos fueron cuando la
resistencia de carga es mayor y cuando es menor que la resistencia óptima. En estos dos últimos casos se mostró
la necesidad de aumentar o disminuir el voltaje para obtener la máxima potencia en la carga.
El uso de modelos o aproximaciones a los sistemas físicos es clave para el entendimiento del comportamiento de
los elementos. En este trabajo se mostró que la aproximación por líneas rectas de las características corriente
voltaje de las celdas solares permite analizar su comportamiento por regiones sin pérdida de generalidad.
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REFERENCIAS
Agarwal, A., & Lang, J. (2005). Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits (1st Editio.). San
Francisco, Ca. USA.: Morgan Kaufmann.
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Esram, T., & Chapman, P. L. (2007). Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking
Techniques. IEEE Transactions on Energy Conversion, 22(2), 439-449. doi:10.1109/TEC.2006.874230
Femia, N., Petrone, G., Spagnuolo, G., & Vitelli, M. (2005). Optimization of Perturb and Observe Maximum
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Gil-Arias, O., & Ortiz-Rivera, E. I. (2008). A general purpose tool for simulating the behavior of PV solar cells,
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Patel, M. (2005). Spacecraft Power System (1st Editio.). Boca Raton, Florida, USA: CRC Press.
Ropp, M. (2007). Photovoltaic Systems. In S. Anwar & B. Capehart (Eds.), Encyclopedia of Energy Engineering
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http://www.usergioarboleda.edu.co/proyecto_espacial/index.htm
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Photovoltaic Arrays. IEEE Transactions on Power Electronics, 24(5), 1198-1208.
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Xiao, W., Ozog, N., & Dunford, W. G. (2007). Topology Study of Photovoltaic Interface for Maximum Power
Point Tracking. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 54(3), 1696-1704.
doi:10.1109/TIE.2007.894732
Autorización y Renuncia
Los autores autorizan a LACCEI para publicar el escrito en las memorias de la conferencia. LACCEI o los
editores no son responsables ni por el contenido ni por las implicaciones de lo que esta expresado en el escrito
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